フレーム管の剛性

剛性とは

  剛性は物体を変形（曲げ、ねじりなど）させるのに要する外力の大きさ。高剛性のフレームや部品は、同じ変形をさせるのに大きな外力を必要とする。
同じ外力に対しては、変形量が小さい。
  剛性は材料の特性（具体的には縦弾性係数）および形状（具体的には断面係数）によって決まる。炭素鋼、チタン、アルミおよびＣＦＲＰ（炭素繊維強化樹脂）の剛性を比較すると、チタンは炭素鋼の１／２強、アルミは炭素鋼の１／３強そしてＣＦＲＰは炭素鋼の約６０％でチタンよりやや大きい。フレームを構成する管の形状についてみると、質量が同じなら外径を大きくして肉厚を薄くすると剛性は大きくなる。クランクの場合、質量が同じなら中空にして幅を大きくすると剛性が大きくなる。
フレームの剛性には、縦（垂直）剛性および横剛性があるが、一般に縦剛性が大きいと横剛性も大きい。
  競技者（プロ）には、フレーム並びにクランクやクランク軸など各種部品も、剛性が大きい（高剛性）ものが力の損失が少なく、かつ加速性も良いとして好まれる。

管の剛性比計算器

  フレームを構成する仕様の異なる２本の管、Ａ管とＢ管の剛性および質量を比較する計算器です。ここでの仕様の違いは、材質、外径および肉厚です。フレームの剛性は材質だけでは決まらないことを示している。管の長さも影響するが、省略している（Ａ管とＢ管は同一長さとしている）。
  計算結果として、Ａ管の剛性および質量を１とした場合のＢ管の剛性および質量が出ます。質量比は軽さの比率です。
  両管の材質を選定後、それぞれの管の外径および肉厚を半角数字で入力して、［計算］を押してください。計算結果として、比率が表示されます。

管の剛性比計算器
Ａ管		Ｂ管
材質		材質
低炭素鋼高張力鋼クロモリ鋼アルミ合金チタン合金ＣＦＲＰ		低炭素鋼高張力鋼クロモリ鋼アルミ合金チタン合金ＣＦＲＰ
外径	ｍｍ	外径	ｍｍ
肉厚	ｍｍ	肉厚	ｍｍ

計算結果
項目	Ａ管	Ｂ管
剛性比	１
質量比	１

［計算例１］
Ａ管の材質はクロムモリブデン鋼（クロモリ鋼）そしてＢ管はアルミ合金とする。両管とも、外径は２５．４ｍｍそして肉厚は１ｍｍとし、剛性と質量の比較をする。

Ｂ管の剛性比は０．３５となる。つまりアルミ合金管の剛性はクロムモリブデン鋼管の３５％となる。質量比は０．３５でクロムモリブデン鋼管の３５％と軽い。

［計算例２］
Ａ管は計算例１と同じく材質はクロムモリブデン鋼とし外径は２５．４ｍｍそして肉厚は１ｍｍとする。
比較するＢ管の材質は計算例１と同じアルミ合金とし、外径および肉厚をいくらにすればＡ管と剛性が等しくなるか試行錯誤で求める。

Ｂ管の外径は４０ｍｍと大きくし、肉厚は１．１ｍｍに厚くする。Ｂ管の剛性比は１となりＡ管と等しくなる。しかし、太くなっているので空気抵抗はやや大きくなる。
質量比は０．６１でＡ管の６１％となる。

フレームサイズの影響

概要
  管が長くなると剛性は低下する（しなやかさは大きくなる）。フレームサイズにかかわらず（フレームサイズが異なっていても）、形式が同じなら一般にフレームの管として同じ外径および肉厚の管を使っている。そのため、相対的に大フレームサイズのフレームは剛性が小さくなり、小フレームサイズのフレームは剛性が大きくなっている。
体重の影響
  大フレームサイズに乗る大柄な人は体重も大きいためフレーム変形があってしなやかなフレームと感じても、小フレームサイズに乗る小柄な人は体重も小さいからフレームの変形が少なく、よけいにしなやかでないと感じる。そのため、同一メーカーの同一形式の自転車であっても、体形および体重を無視してしなやかさを比較できないことになる。フレームに対する印象を聞く場合は、フレームサイズ及びその人の体重を考慮しなければならない。
フレームサイズと剛性
  右グラフはDamon Rinardが1996年に約６０台のフレームに荷重を加えてフレーム変位を測定したデータを打点したもの。縦軸にフレームの変位を取り、横軸にフレームサイズを取ってある。同図の赤色点はクロモリ鋼製、水色点はアルミ合金製、黄色点はチタン合金製そして黒色点はＣＦＲＰ（炭素繊維強化樹脂、俗にいうカーボン）製を表している。フレームサイズが大きくなると、剛性が小さくなる（しなやかさが大きくなる）という傾向が見える（２本の黄色の線で示した）。材質の違いによる明確な剛性の違いは見られない。
  試験はフレームをボトムブラケット（ＢＢ）で支持し（上図）、頭管およびチェーステイ爪に付けた軸にそれぞれ２１５Ｎの荷重を加え、その変位Ａおよび変位Ｂをダイヤルゲージで計測し、その合計（Ａ＋Ｂ）をフレーム変位としたもの。試験したフレームは全てメーカーおよび形式が異なっている。同一メーカーの同一フレームの異なるフレームサイズに関して試験すれば、もっと明確な結果がでるかも知れない。
縦横の剛性
  フレームの横方向（水平）の剛性はペダルからの動力の受け入れに影響し、縦方向（垂直）の剛性は乗り心地に影響する。しかし、これらを独立に変えることは困難であり、水平剛性を大きくすると垂直剛性も大きくなる。

剛性とは

管の剛性比 計算器

フレームサイズの影響

管の剛性比計算器